JP5496717B2 - Mobile remote control system, environmental information collection system - Google Patents
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Description
本発明は、操作システム(マスターシステム)と移動体システム(スレーブシステム)の間でバイラテラル制御が行われる移動体遠隔操作システムに関する。 The present invention relates to a mobile remote operation system in which bilateral control is performed between an operation system (master system) and a mobile system (slave system).
近年、操作デバイスと操作対象を機械的に非連結な構成としたシステムについて実用化及び研究が進められている。このようなシステムにおいては、特に、マスターシステムとスレーブシステムの間で姿勢と力の状態を一致させるように制御する手法は、バイラテラル制御と称されている。バイラテラル制御では、マスターシステムに対して行った操作に基づいてスレーブシステムが動作し、スレーブシステムが環境(障害物、勾配等)から受けた反力が、操作デバイスにおいてアクチュエータ等により再現される。 In recent years, practical use and research have been advanced on a system in which an operation device and an operation target are mechanically disconnected. In such a system, in particular, a method for controlling the posture and the force state to coincide between the master system and the slave system is called bilateral control. In the bilateral control, the slave system operates based on the operation performed on the master system, and the reaction force received by the slave system from the environment (obstacle, gradient, etc.) is reproduced by an actuator or the like in the operation device.
特許文献1には、バイラテラル制御を行う方法であって、時系列な位置情報と力の接触情報を取得し、これを解析して再現する位置、力再現方法等について記載されている。但し、係る方法は、移動体をスレーブシステムとするものではない。
特許文献2には、電動式路上走行車両用の補力操舵システムについて記載されている。このシステムでは、トルク補助信号に追加されるように構成されている触覚トルクを、車両ヨーレート誤差又は横加速度誤差に基づいて生成している。
バイラテラル制御を、路上を走行する移動体に適用した場合、通常であれば、直進運動(並進運動)と回転運動の双方についての制御が必要となる。しかしながら、特許文献2に記載のシステムでは、操舵に関する触覚情報(触覚トルク)についてのみ考慮されており、直進運動に関する制御については考慮されていない。
When bilateral control is applied to a moving body traveling on the road, normally, control for both straight motion (translational motion) and rotational motion is required. However, in the system described in
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、直進運動と回転運動についてのバイラテラル制御を正確に行うことが可能な移動体遠隔操作システム、及びこれが複数個集合して構成される環境情報収集システムを提供することを、主たる目的とする。 The present invention is to solve such problems, and is configured to be a mobile remote control system capable of accurately performing bilateral control on linear motion and rotational motion, and a plurality of such systems. The main purpose is to provide an environmental information collection system.
上記目的を達成するための本発明の第1の態様は、
人が操作を行う操作デバイスを有する操作システムと、
前記操作システムに対してなされた人の操作に基づいて駆動される移動体システムと、
を備え、
前記操作デバイスには、前記移動体システムが環境から受けた反力を再現するためのアクチュエータが取り付けられ、前記操作システムと前記移動体システムとの間でバイラテラル制御が行われる移動体遠隔操作システムであって、
前記操作デバイスには、直進運動指示と回転運動指示の双方を含む操作が可能となっており、
前記バイラテラル制御の前記操作システムと、前記移動体システムと、において二次のQuarry行列を用いて直進運動と、回転運動と、に分離する演算を行い、
前記演算によって分離された前記操作システムの直線運動の成分と、前記演算によって分離された前記移動体システムの直線運動の成分と、を二次のQuarry行列で乗算することを特徴とする、
移動体遠隔操作システムである。
In order to achieve the above object, the first aspect of the present invention provides:
An operation system having an operation device for human operation;
A mobile system driven based on a human operation performed on the operation system;
With
An actuator for reproducing the reaction force received by the mobile system from the environment is attached to the operating device, and a mobile remote control system in which bilateral control is performed between the operating system and the mobile system Because
The operation device can be operated including both a linear motion instruction and a rotational motion instruction,
In the operation system of the bilateral control and the mobile system, a calculation is performed to separate a linear motion and a rotational motion using a quadratic Quarry matrix,
The second-order Quarry matrix multiplies the linear motion component of the operating system separated by the computation and the linear motion component of the mobile system separated by the computation,
It is a mobile remote control system.
この本発明の第1の態様によれば、バイラテラル制御の少なくとも一部において、直進運動と回転運動のそれぞれについて独立した演算を行うため、直進運動と回転運動についてのバイラテラル制御を正確に行うことができる。 According to the first aspect of the present invention, in at least a part of the bilateral control, independent calculation is performed for each of the linear motion and the rotational motion, so that the bilateral control for the linear motion and the rotational motion is accurately performed. be able to.
この本発明の第1の態様において、
前記バイラテラル制御において、二次のQuarry行列を用いて直進運動と回転運動を分離することを特徴とするものとしてもよい。
In this first aspect of the invention,
In the bilateral control, the linear motion and the rotational motion may be separated using a secondary Quarry matrix.
これによって、直進運動と回転運動のそれぞれについての演算を正確且つ容易に行うことができる。 This makes it possible to accurately and easily perform calculations for each of the straight movement and the rotary movement.
また、本発明の第1の態様において、
前記操作デバイスは、相対角度の目標値をπ[rad]として制御される一対のペダルを含むものとしてもよい。
In the first aspect of the present invention,
The operation device may include a pair of pedals controlled with a target value of a relative angle as π [rad].
また、本発明の第1の態様において、
前記操作デバイスは、回転運動を指示する操作が可能なステアリング手段を含むものとしてもよい。
In the first aspect of the present invention,
The operation device may include steering means capable of performing an operation for instructing a rotational motion.
また、本発明の第1の態様において、
前記移動体システムは、左右独立して駆動可能な一対の車輪を含むものとしてもよい。
In the first aspect of the present invention,
The mobile system may include a pair of wheels that can be driven independently on the left and right.
本発明の第2の態様は、
本発明の第1の態様の移動体遠隔操作システムを複数個備え、
各移動体遠隔操作システムは、自己が有する移動体システムの位置を特定可能に構成されており、
各移動体遠隔操作システムにおいて取得された環境情報と、該環境情報が取得された際の移動体システムの位置とを収集し、位置に対応づけられた環境情報を生成する情報収集サーバを備えることを特徴とする、
環境情報収集システムである。
The second aspect of the present invention is:
A plurality of mobile remote control systems according to the first aspect of the present invention,
Each mobile remote control system is configured to be able to identify the position of the mobile system that it has,
An information collection server is provided that collects environmental information acquired in each mobile remote control system and the position of the mobile system when the environmental information is acquired, and generates environmental information associated with the position. Characterized by the
Environmental information collection system.
この本発明の第2の態様によれば、在る移動体遠隔装置システムにおいて収集された環境情報を、他の移動体遠隔装置システムの操作者に提供することができる。この結果、当該操作する人は、移動体システムの進路上に障害物等が存在するか否かを検知することができ、スムーズに移動体システムを移動させることができる。 According to the second aspect of the present invention, environment information collected in an existing mobile remote device system can be provided to an operator of another mobile remote device system. As a result, the person who operates can detect whether there is an obstacle or the like on the path of the mobile system, and can smoothly move the mobile system.
本発明によれば、直進運動と回転運動についてのバイラテラル制御を正確に行うことが可能な移動体遠隔操作システム、及びこれが複数個集合して構成される環境情報収集システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the mobile body remote control system which can perform bilateral control about a linear motion and a rotational motion correctly, and the environmental information collection system comprised by combining two or more can be provided. .
以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら実施例を挙げて説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
<<第1実施例>>
以下、図面を参照し、本発明の第1実施例に係る移動体遠隔操作システムについて説明する。本実施例の移動体遠隔操作システムは、操作システムと移動体システムとの間でバイラテラル制御が行われるものであり、移動体システムは、2個のインホイールモータによって直進運動及び回転運動(これらの組み合わせを含む)を実現可能に構成されている。
<< First Example >>
A mobile remote control system according to a first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the mobile remote control system of this embodiment, bilateral control is performed between the operation system and the mobile system. The mobile system is a linear motion and a rotational motion (these are controlled by two in-wheel motors). (Including combinations of the above).
[構成]
図1は、本発明の第1実施例に係る移動体遠隔操作システム1の主要な構成要素の外観構成を示す図である。図示するように、移動体遠隔操作システム1は、操作システム10と、移動体システム50とを備える。操作システム10と移動体システム50は、有線又は無線接続によって互いに通信可能となっている。
[Constitution]
FIG. 1 is a diagram showing an external configuration of main components of a mobile
操作システム10は、ステアリングシステム20と、ペダルシステム30を有する。
The
ステアリングシステム20は、操作者が回転運動を指示可能なステアリングハンドル22と、ステアリングハンドル22に反力を出力可能なステアリングアクチュエータ24と、を備える。
The
ペダルシステム30は、右ペダル32A、左ペダル32Bと、これらに反力を出力可能なペダルアクチュエータ34A、34Bと、を備える。
The
ステアリングハンドル22は剛体に対して回動可能に取り付けられている。また、右ペダル32A、左ペダル32Bは、ステアリングハンドル22と同一の剛体に対してそれぞれが回動可能に取り付けられている。操作者は、同じく剛体に取り付けられたサドル部に跨って、自転車を運転するかのようにステアリングハンドル22やペダル32A、32Bを操作することにより、移動体システム50を移動させることができる。
The steering handle 22 is rotatably attached to the rigid body. The
そして、ステアリングアクチュエータ24やペダルアクチュエータ34A、34Bは、移動体システム50が環境から受ける反力を操作者に伝えるために、ステアリングハンドル22や左右のペダル32A、32Bに力を出力する。また、ステアリングアクチュエータ24やペダルアクチュエータ34A、34Bには、回転位置を検出するための位置エンコーダが取り付けられている。
The steering
移動体システム50は、本体部52と、右の主車輪54A、左の主車輪54Bと、補助車輪58と、を備える。各車輪は、本体部52に対して回動可能に取り付けられている。主車輪54A、54Bには、これらを回転駆動させるためのインホイールモータ56A、56Bが取り付けられている。インホイールモータ56A、56Bは、主車輪54A、54Bの内部に取り付けられ、例えば本体部52に連結されたステータと、主車輪54A、54Bに連結されたロータと、を有する(係る関係は逆であってもよい)。また、インホイールモータ56A、56Bには、回転位置を検出するための位置エンコーダが取り付けられている。
The
図2は、本発明の第1実施例に係る移動体遠隔操作システム1が有する制御系の構成要素を示すブロック図である。移動体遠隔操作システム1は、バイラテラル制御を行う主体として制御装置60を備える。制御装置60は、マイクロコンピュータとして構成される。制御装置60は、操作システム10と移動体システム10のいずれかに併設されてもよいし、別体であってもよい。
FIG. 2 is a block diagram showing components of a control system included in the mobile
[バイラテラル制御]
以下、上記のような構成を有する移動体遠隔操作システム1において行われるバイラテラル制御について、主に周波数領域で表現されたブロック線図を用いて説明する。なお、周波数領域から時間領域への変換等は、当業者にとって周知である。
[Bilateral control]
Hereinafter, bilateral control performed in the mobile
図3は、本発明の第1実施例に係る移動体遠隔操作システム1の制御系を周波数領域で表現したブロック線図である。図中、「s」はラプラス演算子である。また、「・・」は2階の微分を表し、「^」は推定値を表している。ペダルシステム30及び移動体システム50は、それぞれ左右のアクチュエータ又はインホイールモータを有し、それぞれに外乱オブザーバや反力推定オブザーバが併設されているため(物理的に近接している必要はない)、アクチュエータ又はインホイールモータと各オブザーバを含めて、右システム、左システムと表記している。
FIG. 3 is a block diagram representing the control system of the mobile
更に、図2において、「θ」はモータの回転角を表し、「tra」は直進運動を表し、「rot」は回転運動を表している。また、「res」は応答値(測定値)を表し、「ref」は参照値(制御目標値)を表し、「cmd」は指令値を表している。 Further, in FIG. 2, “θ” represents a rotation angle of the motor, “tra” represents a straight motion, and “rot” represents a rotational motion. “Res” represents a response value (measured value), “ref” represents a reference value (control target value), and “cmd” represents a command value.
また、τはトルクを表しており、上付き文字の「dis」は外乱を、「ext」は外乱から摩擦などを除去した値(アクチュエータ等に直接作用する外力)を表している。 Also, τ represents torque, the superscript “dis” represents a disturbance, and “ext” represents a value obtained by removing friction or the like from the disturbance (an external force directly acting on an actuator or the like).
また、「P」はペダルシステムを表し、「S」ステアリングシステムを表し、「M」はモバイルシステム(移動体システム)を表している。また、「C」は後述する和のモードを表し、「D」は差のモードを表している。 “P” represents a pedal system, “S” represents a steering system, and “M” represents a mobile system (mobile system). “C” represents a sum mode described later, and “D” represents a difference mode.
また、「Cf」は力制御器であり、「Cp(s)」は位置制御器であり、次式(1)で表される。 “Cf” is a force controller, and “Cp (s)” is a position controller, which is expressed by the following equation (1).
また、「Q2」は、次式(2)で表される二次のQuarry行列を示しており、「Q2 -1」は次式(3)で表される二次のQuarry逆行列を示している。 “Q 2 ” indicates a quadratic Quarry matrix expressed by the following equation (2), and “Q 2 −1 ” indicates a quadratic Quarry inverse matrix expressed by the following equation (3). Show.
まず、ペダルシステム30や移動体システム50の右システム、左システムの機能について説明する。
First, functions of the right system and the left system of the
[オブザーバ]
図4は、ペダルシステム30や移動体システム50の右システム、左システム(図では、単に「システム100」と表記している)の機能を示すブロック線図である。システム100は、アクチュエータ102(ここでは、移動体システム50におけるインホイールモータを含む概念である)と、外乱オブザーバ104と、外力推定オブザーバ106と、を備える。
[Observer]
FIG. 4 is a block diagram showing functions of the right system and the left system (in the figure, simply referred to as “
図4において、θ・・ref、Jn、Ktn、Iref、τdis 、τ^dis、τ^ext、θresは、それぞれ、加速度参照値、慣性モーメントのノミナル値、トルク定数のノミナル値、電流参照値、外乱、推定外乱、推定外力、位置エンコーダにより計測された位置応答を示している。 In FIG. 4, θ ·· ref , J n , K tn , I ref , τ dis , τ ^ dis , τ ^ ext , and θ res are the acceleration reference value, the inertia moment nominal value, and the torque constant nominal value, respectively. , Current reference value, disturbance, estimated disturbance, estimated external force, and position response measured by the position encoder.
アクチュエータ102に入力される電流参照値Irefは、次式(4)で表される。式中、第1項は、加速度参照値θ・・refから導出される電流参照値であり、第2項は、外乱オブザーバ104により推定される推定外乱τ^disから導出される電流参照値(補償電流)である。これによってロバストな加速度制御系が構築される。
The current reference value I ref input to the
外乱τdisは、次式(5)で表される。式中、τc、Dθ・、J、Ktは、それぞれ、クーロン摩擦、粘性摩擦、慣性モーメントの真値、トルク定数の真値である。そして、推定外力τ^extは、次式(6)で表される。この推定外力τ^extは、操作システム10にあっては、人の操作によってアクチュエータに作用する力を示し、移動体システム50にあっては、環境からインホイールモータに作用する力を示すものである。
The disturbance τ dis is expressed by the following equation (5). In the equation, τ c , Dθ · , J, and K t are the Coulomb friction, the viscous friction, the true value of the moment of inertia, and the true value of the torque constant, respectively. The estimated external force τ ^ ext is expressed by the following equation (6). This estimated external force τ ^ ext indicates the force acting on the actuator by human operation in the
[主要な制御の流れ]
図3に戻り、移動体遠隔操作システム1の主要な制御の流れについて説明する。まず、移動体システム50に入力される加速度参照値θ・・ M,R ref、θ・・ M,L refの生成について説明する。
[Main control flow]
Returning to FIG. 3, the main control flow of the mobile
ペダルシステム30の右システム及び左システムには、加速度参照値(目標値)θ・・ P,R ref、θ・・ P,L refと、外乱τP,R dis、τP,L disが入力される(図中、(A))。 Acceleration reference values (target values) θ ·· P, R ref , θ ·· P, L ref and disturbances τ P, R dis , τ P, L dis are input to the right and left systems of the pedal system 30 ((A) in the figure).
右システム及び左システムは、図3において説明した機能により、推定外力τ^P,R ext、τ^P,L ext、及び位置応答θP,R res、θP,L resを出力する(図中、(B))。 The right system and the left system output estimated external forces τ ^ P, R ext , τ ^ P, L ext and position responses θ P, R res , θ P, L res by the function described in FIG. (B)).
位置応答θP,R res、θP,L resは、二次のQuarry行列Q2によって、位置応答の直線運動成分であるθP,tra resと、位置応答の回転運動成分であるθP,rot resに分離される(図中、(C))。次式(7)は、本実施例において、ある成分が、二次のQuarry行列Q2によって直線運動成分と回転運動成分に分離されることを示す一般式である。 The position responses θ P, R res , θ P, L res are obtained by the second-order Quarry matrix Q 2 , θ P, tra res that is the linear motion component of the position response and θ P, tra res that is the rotational motion component of the position response . It is separated into rot res ((C) in the figure). The following equation (7) is a general equation indicating that a certain component is separated into a linear motion component and a rotational motion component by the quadratic Quarry matrix Q 2 in this embodiment.
ペダルシステム30における位置応答の直線運動成分θP,tra resは、移動体システム50における位置応答の直線運動成分θM,tra resと共に二次のQuarry行列Q2によって乗算され、和成分θC,tra resと差成分θD,tra resに分離される(図中、(D))。次式(8)は、本実施例において、ある成分が、二次のQuarry行列Q2によって和の成分と差の成分に分離される様子を示す一般式である。
The linear motion component θ P, tra res of the position response in the
なお、この和の成分と差の成分は、和のモード空間と差のモード空間におけるパラメータである。和のモード空間と差のモード空間については、既に(特開2009−279699号公報)等に示されているため、詳細な説明を省略する。 The sum component and the difference component are parameters in the sum mode space and the difference mode space. Since the sum mode space and the difference mode space have already been disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2009-279699, etc., detailed description thereof will be omitted.
直進運動の差の成分θD,tra resは、操作システム10に対する移動体システム50の変位の遅れを示している。従って、システムへの入力信号を生成する側にフィードバックされる(図中、(E))。
The component θ D, tra res of the difference in linear motion indicates a delay in displacement of the moving
すなわち、位置制御器Cp(s)を経て、直進運動に関する加速度参照値の差の成分θ・・ D,tra resとなる。これが直進運動に関する加速度参照値の差の成分θ・・ D,tra resと共に二次のQuarry逆行列Q2 -1によって乗算されることによって、移動体システム50に入力される直線運動に関する加速度参照値θ・・ M,tra refを得る(図中、(F))。そして、これが回転運動に関する加速度参照値θ・・ M,rot refと共に二次のQuarry逆行列Q2 -1によって乗算されることによって、移動体システム50の右システム及び左システムにそれぞれ入力される加速度参照値θ・・ M,R ref、θ・・ M,L refを得る(図中、(G))。
That is, after passing through the position controller Cp (s), it becomes the component θ ·· D, tra res of the difference of the acceleration reference value relating to the linear motion. This is multiplied by the quadratic Quarry inverse matrix Q 2 −1 together with the difference component θ ·· D, tra res of the acceleration reference value relating to the linear motion, so that the acceleration reference value relating to the linear motion input to the
これによって、操作システム10に対する移動体システム50の変位の遅れをなくすように、移動体システム50のインホイールモータが加減速される。すなわち、変位の遅れが大きいときに移動体システム50のインホイールモータの出力が大きくなるように制御される。
As a result, the in-wheel motor of the
また、移動体システム50に入力される加速度参照値には、直進運動に関する加速度参照値の和の成分θ・・ D,tra resが反映される。これは、推定外力の直進運動成分τ^C,tra extが力制御器Cfを経たものであり、作用・反作用の法則を成立させるために加味されている。
In addition, the acceleration reference value input to the
これによって、人がペダルを漕ぐ力に比して移動体システム50のインホイールモータが環境から受ける力が弱いときには、移動体システム50のインホイールモータの出力が大きくなるように制御される。
As a result, when the force received from the environment by the in-wheel motor of the
以上のように、移動体システム50に入力される加速度参照値θ・・ M,R ref、θ・・ M,L refは、位置の追従と作用反作用の成立の2要素が加味されており、これらが移動体システム50の動作を、人の操作を適切に反映したものとしている。
As described above, the acceleration reference values θ ·· M, R ref and θ ·· M, L ref input to the
次に、ペダルシステム30に入力される加速度参照値θ・・ P,R ref、θ・・ P,L refの生成について説明する。
Next, generation of the acceleration reference values θ ·· P, R ref and θ ·· P, L ref input to the
移動体システム50の右システム及び左システムには、加速度参照値θ・・ M,R ref、θ・・ M,L refと、外乱τM,R dis、τM,L disが入力される(図中、(H))。 Acceleration reference values θ ·· M, R ref , θ ·· M, L ref and disturbances τ M, R dis , τ M, L dis are input to the right system and the left system of the mobile system 50 ( (H) in the figure).
移動体システム50の右システム及び左システムは、図3により説明した機能により、推定外力τ^M,R ext、τ^M,L ext及び位置応答θM,R res、θM,L resを出力する(図中、(I))。
Right systems and the left systems of the
移動体システム50の推定外力τ^M,R ext、τ^M,L extは、二次のQuarry行列Q2によって、推定外力τ^M,R ext、τ^M,L extの直線運動成分であるτ^M,tra extと、推定外力の回転運動成分であるτ^M,rot extに分離される(図中、(J))。 Estimated external force tau ^ M of mobile systems 50, R ext, τ ^ M , L ext is the secondary Quarry matrix Q 2, linear motion component of the estimated external force τ ^ M, R ext, τ ^ M, L ext Τ ^ M, tra ext and τ ^ M, rot ext which is the rotational motion component of the estimated external force ((J) in the figure).
移動体システム50における推定外力の直線運動成分τ^M,tra extは、ペダルシステム30における推定外力の直線運動成分τ^P,tra extと共に二次のQuarry行列Q2によって乗算され、和成分τ^C,tra extと差成分τ^D,tra extに分離される(図中、(K))。
Linear motion component tau ^ M estimated external force in a mobile system 50, tra ext is linear motion component tau ^ P of the estimated external force in the
直進運動に関する推定外力の和成分τ^C,tra extは、ペダルシステム30と移動体システム50の作用・反作用の釣り合い程度を示している。従って、システムへの入力信号を生成する側にフィードバックされる(図中、(L))。
The sum component τ ^ C, tra ext of the estimated external force related to the linear motion indicates the degree of balance between the action and reaction of the
すなわち、力制御器Cfを経て、直進運動に関する加速度参照値の和の成分θ・・ C,tra resとなる。これが直進運動に関する加速度参照値の差の成分θ・・ D,tra resと共に二次のQuarry逆行列Q2 -1によって乗算されることによって、ペダルシステム30に入力される直線運動に関する加速度参照値θ・・ P,tra refとなる(図中、(M))。そして、これが回転運動に関する加速度参照値θ・・ P,rot refと共に二次のQuarry逆行列Q2 -1によって乗算されることによって、ペダルシステム30の右システム及び左システムにそれぞれ入力される加速度参照値θ・・ P,R ref、θ・・ P,L refを得る(図中、(N))。
In other words, the sum component θ ·· C, tra res of the acceleration reference value related to the straight-ahead movement is obtained via the force controller C f . This is multiplied by a second-order Quarry inverse matrix Q 2 −1 together with a component θ ·· D, tra res of a difference in acceleration reference value related to the straight motion, whereby the acceleration reference value θ related to the linear motion input to the pedal system 30 ..P , tra ref ((M) in the figure) Then, this is multiplied by the quadratic Quarry inverse matrix Q 2 −1 together with the acceleration reference value θ ·· P, rot ref related to the rotational motion, whereby the acceleration reference input to the right system and the left system of the
これによって、ペダルシステム30と移動体システム50の作用・反作用の釣り合いをとるように、ペダルシステム30のアクチュエータが駆動される。すなわち、移動体システム50が環境から受ける外力が大きいときにアクチュエータの出力が大きくなるように制御される。
As a result, the actuator of the
なお、回転運動については、本実施例では、右ペダル32Aと左ペダル32Bの相対角度がπ[rad]となるように制御されているため、専らステアリングハンドル22によって操作されたものがインホイールモータの出力差として反映される。係る制御においても、直進運動と同様、位置の追従と作用反作用の成立の2要素が加味されて、移動体システム50の出力やステアリングハンドル22に出力する反力が決定される。
In the present embodiment, the rotational motion is controlled so that the relative angle between the
ここで、本実施例では、右ペダル32Aと左ペダル32Bの相対角度がπ[rad]となるように、θP,rot comを定めている。従って、ペダルシステム30における位置応答の回転運動成分θP,rot resや推定外力の回転運動成分τ^P,rot extはフィードバックさせていない。
Here, in this embodiment, θ P, rot com is determined so that the relative angle between the
しかしながら、本発明の適用対象はこのような態様に限らず、右ペダル32Aと左ペダル32Bにかかる力の差を回転運動に反映させてもよい。こうすれば、例えば右ペダル32Aにより大きく力をかけることにより、移動体システム50を左に旋回させるような運転が可能となる。この場合、例えば位置応答の回転運動成分θP,rot resをθS,rot resθに加算等すればよい。また、ステアリングハンドル22を省略し、右ペダル32Aと左ペダル32Bにかかる力の差のみによって回転運動を実現してもよい。
However, the application target of the present invention is not limited to such an aspect, and a difference in force applied to the
[効果]
以上説明した本発明の第1実施例に係る移動体遠隔操作システム1によれば、ステアリングハンドル22や右ペダル32A、左ペダル32Bには、直進運動指示と回転運動指示の双方を含む操作が可能となっており、バイラテラル制御の少なくとも一部において、直進運動と回転運動のそれぞれについて独立した演算を行っているため、直進運動と回転運動についてのバイラテラル制御を正確に行うことができる。
[effect]
According to the mobile
また、二次のQuarry行列を用いて直進運動と回転運動を分離しているため、それぞれについての演算を正確且つ容易に行うことができる。 In addition, since the linear motion and the rotational motion are separated using the quadratic Quarry matrix, the calculation for each can be performed accurately and easily.
[実験]
本出願に係る発明者は、本発明の有用性を実証するための実験を行っている。以下にその結果を示す。
[Experiment]
The inventor according to the present application conducts experiments for demonstrating the usefulness of the present invention. The results are shown below.
本実験では、操作者が移動体遠隔操作システム1の操作システム10を操作し、移動体システム50が平面から人工芝マットに乗り上げた場合における、それぞれのシステムにおける位置や力の変化を計測した。図5は、移動体システム50が平面から人工芝マットに乗り上げる場面を示す外観図である。
In this experiment, when the operator operated the
図6は、第1実施例に係る移動体遠隔操作システム1を用いた実験におけるパラメータを示す図である。図中、上記で説明されていないパラメータについて説明する。「st」は制御周期を示し、「gdis」は外乱オブザーバのカットオフ周波数を示し、「greac」は反力推定オブザーバのカットオフ周波数を示している。
FIG. 6 is a diagram showing parameters in an experiment using the mobile
実験における0[s]〜10[s]までの期間は、操作者がシステムに触れず、制御的クランク機構を構築するための期間とした。この期間におけるペダルシステム30への指令値θP,rot comは、次式(9)で表される。
The period from 0 [s] to 10 [s] in the experiment was a period for constructing the controllable crank mechanism without the operator touching the system. The command value θ P, rot com to the
実験開始から10[s]経過した後は、指令値θP,rot comをπ[rad]で固定し、自転車のペダルのように操作しやすいものとした。従って、元々同じ回転角であった右ペダル32A、左ペダル32Bの相対角度が徐々に開いていき、π[rad]に至ると相対的にロックされることになる。図7は、右ペダル32Aと左ペダル32Bの相対角度の変化を示す図である。
After 10 [s] has elapsed from the start of the experiment, the command value θ P, rot com is fixed at π [rad] so that it can be operated easily like a bicycle pedal. Therefore, the relative angles of the
図8は、直進運動に関する、操作システム10と移動体システム50の、それぞれの位置応答及び力応答(実際は、推定値である)の変化を示している。図示するように、実験開始から16[s]程度のタイミングで移動体システム50は人工芝から反発を受けて後退している。同じタイミングで環境(人工芝マット)から移動体システム50が受ける外力、及びペダルシステム30に出力される反力は、符号が反転していることが判る。直進運動に関して、本実施例の移動体遠隔操作システム1では、位置、力共に十分正確な追従がなされていることが判る。
FIG. 8 shows changes in position response and force response (actually estimated values) of the
また、図9は、回転運動に関する、操作システム10と移動体システム50の、それぞれの位置応答及び力応答(実際は、推定値である)の変化を示している。図示するように、移動体システム50は人工芝から反発を受けて後退したタイミングで、環境から移動体システム50が受ける外力(この場合、回転力)、及びステアリングシステム10に出力される反力は、符号が反転していることが判る。回転運動に関しても、本実施例の移動体遠隔操作システム1では、位置、力共に十分正確な追従がなされていることが判る。
Moreover, FIG. 9 has shown the change of each position response and force response (actually it is an estimated value) of the
[制御の他の例]
なお、二次のQuarry行列を用いて直進運動と回転運動を分離して行うバイラテラル制御においては、直進運動と回転運動に関して、位置制御と力制御の組み合わせを任意に選択可能である。
[Other examples of control]
In bilateral control in which linear motion and rotational motion are separated using a quadratic Quarry matrix, a combination of position control and force control can be arbitrarily selected for linear motion and rotational motion.
図10は、直進運動と回転運動の双方について位置制御を行う場合のブロック線図であり、図11は、直進運動と回転運動の双方について力制御を行う場合のブロック線図であり、図12は、直進運動について位置制御を行い、回転運動について力制御を行う場合のブロック線図であり、図13は、直進運動について力制御を行い、回転運動について位置制御を行う場合のブロック線図である。なお、図10〜図13においては、和と差のモード空間については図示を省略している。 FIG. 10 is a block diagram in the case where position control is performed for both linear motion and rotational motion, and FIG. 11 is a block diagram in the case where force control is performed for both linear motion and rotational motion. Fig. 13 is a block diagram in the case where position control is performed for linear motion and force control is performed for rotational motion. Fig. 13 is a block diagram in the case where force control is performed for linear motion and position control is performed for rotational motion. is there. In FIGS. 10 to 13, the sum and difference mode spaces are not shown.
このように、二次のQuarry行列を用いて直進運動と回転運動を分離してバイラテラル制御を行う場合、直進運動と回転運動のそれぞれについて非干渉な制御体系を構築することができる。 As described above, when bilateral control is performed by separating the linear motion and the rotational motion using the quadratic Quarry matrix, a non-interfering control system can be constructed for each of the linear motion and the rotational motion.
<<第2実施例>>
以下、図面を参照し、本発明の第2実施例に係る環境情報収集システムについて説明する。本実施例の環境情報収集システムは、第1実施例の移動体遠隔操作システムを複数個備え、各移動体遠隔操作システムにおいて取得された環境情報(環境から受けた反力等)を情報収集サーバで収集し、情報収集サーバにおいてマッピング情報を生成するものである。
<< Second Example >>
Hereinafter, an environment information collecting system according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The environmental information collection system of the present embodiment includes a plurality of mobile remote control systems of the first embodiment, and information collection servers collect environmental information (such as reaction force received from the environment) acquired in each mobile remote control system. And the mapping information is generated in the information collection server.
図14は、本発明の第2実施例に係る環境情報収集システム200のシステム構成例である。図示するように、環境情報収集システム200は、複数個の移動体遠隔操作システム1#1〜1#nと、情報管理サーバ300と、を備える。
FIG. 14 is a system configuration example of an environment
各移動体遠隔操作システムは、第1実施例で説明したように、操作システム10と移動体システム50の間でバイラテラル制御を行う。バイラテラル制御は、制御装置60により実行される。制御装置60は、操作システム10と移動体システム10のいずれかに併設されてもよいし、別体であってもよい。
Each mobile remote control system performs bilateral control between the
更に、第2実施例では、各移動体遠隔操作システムは、路面状態提示端末70を備える。
Furthermore, in the second embodiment, each mobile remote control system includes a road surface
また、第2実施例に係る移動体システム50には、GPS(Global Positioning System)受信機59が搭載される。なお、GPSに代えて、GLONASSや、Galileoに係る装置を用いてもよい。
In addition, a GPS (Global Positioning System)
GPS受信機59は、GPSアンテナによってGPS衛星が送信する電波を受信し、これを復調して当該電波に含まれる航法メッセージを取り出す。航法メッセージは、衛星軌道に関する情報や衛星時計の補正値、電離層の補正係数、衛星自身の動作状態を示すヘルスメッセージ等を含んでいる。
The
そして、GPS受信機59は、複数のGPS衛星からの航法メッセージを解析し、移動体システム50の位置(緯度、経度、及び高度をいう)を特定する。具体的には、航法メッセージに含まれる衛星軌道の情報等から各GPS衛星のワールド座標系(例えばWGS84)における位置(Xs,Ys,Zs)を算出し、電波の到達時間(到達時刻−発信時刻)に光速を乗じて各GPS衛星と移動体システム50との間の擬似距離を算出し、複数のGPS衛星について算出される擬似距離及び位置を用いて、三角測量の原理により移動体システム50の位置を算出する。なお、係るGPS演算を行うのは、制御装置60側であっても構わない。
Then, the
図15は、本発明の第2実施例に係る移動体遠隔操作システム200が有する制御系の構成要素を示すブロック図である。制御装置60は、第1実施例で説明したようなオブザーバの機能を有しており、操作システム10や移動体システム50の位置エンコーダから入力される値に基づいて、推定外乱や推定外力を算出している。そして、これらの算出値に基づいて操作システム10のアクチュエータや移動体システム50のインホイールモータに各種参照値を出力することにより、バイラテラル制御を行う。
FIG. 15 is a block diagram showing components of a control system included in the mobile
路面状態提示端末70は、例えば液晶ディスプレイ装置であり、制御装置60によって表示画面が制御される。
The road surface
制御装置60は、上記のオブザーバ機能やバイラテラル制御機能に加えて、マッピング情報管理のための機能を有している。
The
まず、マッピング情報管理機能のうち情報収集・提供機能について説明する。この機能は、オブザーバ機能において算出された推定外乱や推定外力を、その時点においてGPS受信機59により特定された移動体システム50の位置と共に(或いは位置を連ねた走行経路と共に)、情報管理サーバ300に送信する。
First, the information collecting / providing function of the mapping information management function will be described. This function uses the estimated disturbance or estimated external force calculated by the observer function together with the position of the
各移動体遠隔装置システムと情報管理サーバ300との情報の送受信は、例えば携帯電話やPHS等の無線通信ネットワークやインターネット等を介して行われる。また、これに限らず、各移動体遠隔装置システムと情報管理サーバ300が通信線によって接続されても構わない。なお、各移動体遠隔装置システムの操作システム10、制御装置60、及び路面状態提示端末70と情報管理サーバ300は、同じ施設内に設置される場合もあり得る。この場合、移動体システム50のみが施設外を移動し、操作システム10と移動体システム50の情報送受信は無線通信で行われる。
Transmission / reception of information between each mobile remote device system and the
情報管理サーバ300は、各移動体遠隔装置システムから受信した情報を統合し、所定のマップ上にマッピングされた推定外乱や推定外力の情報(以下、マッピング情報と称する)を生成する。
The
次に、マッピング情報管理機能のうち路面状態提示機能について説明する。制御装置60は、地図データが記憶された記憶装置62を備える。そして、所望のタイミングで情報管理サーバ300からマッピング情報を取得し、当該移動体遠隔装置システムを操作する人に路面状態を提示する。
Next, the road surface state presentation function of the mapping information management function will be described. The
路面状態の提示は、例えば、地図データから生成される模擬画像上に、外乱や外力を生じさせる障害物の位置をアイコン等によって表示する。 In the presentation of the road surface state, for example, the position of an obstacle that causes a disturbance or an external force is displayed by an icon or the like on a simulated image generated from map data.
これによって、移動体遠隔装置システムを操作する人は、移動体システム50の進路上に障害物等が存在するか否かを検知することができ、スムーズに移動体システム50を移動させることができる。
Thus, a person operating the mobile remote device system can detect whether an obstacle or the like is present on the path of the
以上説明した本実施例の環境情報収集システム200によれば、他のシステムにおいて収集された外乱や外力を生じさせる障害物の位置等に関する情報を、移動体遠隔装置システムの操作者に提供することができる。この結果、当該操作する人は、移動体システム50の進路上に障害物等が存在するか否かを検知することができ、スムーズに移動体システム50を移動させることができる。
According to the environmental
以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。 The best mode for carrying out the present invention has been described above with reference to the embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. And substitutions can be added.
1 移動体遠隔操作システム
10 操作システム
20 ステアリングシステム
30 ペダルシステム
22 ステアリングハンドル
24 ステアリングアクチュエータ
32A 右ペダル
32B 左ペダル
34A、34B ペダルアクチュエータ
50 移動体システム
52 本体部
54A 右の主車輪
54B 左の主車輪
56A、56B インホイールモータ
58 補助車輪
59 GPS受信機
60 制御装置
62 記憶装置
70 路面状態提示端末
100 システム
102 アクチュエータ
104 外乱オブザーバ
106 外力推定オブザーバ
200 環境情報収集システム
300 情報管理サーバ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記操作システムに対してなされた人の操作に基づいて駆動される移動体システムと、
を備え、
前記操作デバイスには、前記移動体システムが環境から受けた反力を再現するためのアクチュエータが取り付けられ、前記操作システムと前記移動体システムとの間でバイラテラル制御が行われる移動体遠隔操作システムであって、
前記操作デバイスには、直進運動指示と回転運動指示の双方を含む操作が可能となっており、
前記バイラテラル制御の前記操作システムと、前記移動体システムと、において二次のQuarry行列を用いて直進運動と、回転運動と、に分離する演算を行い、
前記演算によって分離された前記操作システムの直線運動の成分と、前記演算によって分離された前記移動体システムの直線運動の成分と、を二次のQuarry行列で乗算することを特徴とする、
移動体遠隔操作システム。 An operation system having an operation device for human operation;
A mobile system driven based on a human operation performed on the operation system;
With
An actuator for reproducing the reaction force received by the mobile system from the environment is attached to the operating device, and a mobile remote control system in which bilateral control is performed between the operating system and the mobile system Because
The operation device can be operated including both a linear motion instruction and a rotational motion instruction,
In the operation system of the bilateral control and the mobile system, a calculation is performed to separate a linear motion and a rotational motion using a quadratic Quarry matrix,
The second-order Quarry matrix multiplies the linear motion component of the operating system separated by the computation and the linear motion component of the mobile system separated by the computation ,
Mobile remote control system.
請求項1に記載の移動体遠隔操作システム。 The operation device includes a pair of pedals controlled with a target value of a relative angle as π [rad].
The mobile remote control system according to claim 1 .
請求項1または2に記載の移動体遠隔操作システム。 The operation device includes a steering means capable of instructing a rotational movement,
The mobile remote control system according to claim 1 or 2 .
請求項1ないし3のいずれか1項に記載の移動体遠隔操作システム。 The mobile system includes a pair of wheels that can be driven independently on the left and right sides.
The mobile remote control system according to any one of claims 1 to 3 .
各移動体遠隔操作システムは、自己が有する移動体システムの位置を特定可能に構成されており、
各移動体遠隔操作システムにおいて取得された環境情報と、該環境情報が取得された際の移動体システムの位置とを収集し、位置に対応づけられた環境情報を生成する情報収集サーバを備えることを特徴とする、
環境情報収集システム。 A plurality of mobile remote control systems according to any one of claims 1 to 4 ,
Each mobile remote control system is configured to be able to identify the position of the mobile system that it has,
An information collection server is provided that collects environmental information acquired in each mobile remote control system and the position of the mobile system when the environmental information is acquired, and generates environmental information associated with the position. Characterized by the
Environmental information collection system.
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